鼠籠型風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功功率輸出控制策略①

賀篤貴

(銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 銅陵 244061)

0 引 言

隨著世界范圍內(nèi)的能源革命再一次掀起，分布式清潔能源替代或者補(bǔ)充傳統(tǒng)化石能源的基本趨勢(shì)已經(jīng)形成。自然界內(nèi)蘊(yùn)含著巨量的風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電也逐漸被各國(guó)科研工作者所重視，也逐漸被世界各國(guó)電網(wǎng)慢慢接入接受[1]?？紤]到短路容量大、間歇性強(qiáng)、集中式接入的大容量風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)一定的不利影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)以一種分散、分布接入的方式就成了一種可行性方案。分布式風(fēng)機(jī)單機(jī)容量較小，受制于制造成本的約束，鼠籠型發(fā)電機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本經(jīng)濟(jì)的原因，在分布式風(fēng)機(jī)中得到了更加廣泛的應(yīng)用，目前主要接入配電網(wǎng)。若鼠籠風(fēng)機(jī)以一種無(wú)序、無(wú)控的模式接入，仍然會(huì)給配電網(wǎng)的安全可靠性運(yùn)行帶來(lái)災(zāi)難性的影響，所以鼠籠風(fēng)機(jī)控制策略研究也就具有十分重要的意義。

1 鼠籠型風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

鼠籠風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)由風(fēng)輪機(jī)、鼠籠異步電機(jī)、軟啟動(dòng)裝置、無(wú)功補(bǔ)償裝置以及變壓器等幾個(gè)部分構(gòu)成[2]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)輪機(jī)捕獲風(fēng)能，風(fēng)能驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而轉(zhuǎn)換成齒輪動(dòng)能，從而驅(qū)動(dòng)鼠籠異步電機(jī)發(fā)出電能。異步電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)由于內(nèi)部電勢(shì)較低所以啟動(dòng)電流會(huì)很大，對(duì)電網(wǎng)的沖擊也比較大。為了降低風(fēng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，一般鼠籠風(fēng)機(jī)會(huì)采用軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)，通過(guò)軟啟動(dòng)器從而降低對(duì)電網(wǎng)的影響。異步風(fēng)機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但是其功率因素都不會(huì)太高，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償裝置提高其并網(wǎng)時(shí)的功率因素。最后通過(guò)變壓器將風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能變換成與電網(wǎng)相同的電壓，從而實(shí)現(xiàn)鼠籠風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)的相互連接。

圖1 鼠籠風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PSCAD軟件是一款能夠進(jìn)行微步長(zhǎng)計(jì)算的時(shí)域仿真軟件，其自帶的模型庫(kù)也是很強(qiáng)大的。異步鼠籠風(fēng)機(jī)采用PSCAD自帶的異步電動(dòng)機(jī)元件，通過(guò)軟開(kāi)關(guān)并入電力系統(tǒng)。軟開(kāi)關(guān)的工作原理是當(dāng)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，軟開(kāi)關(guān)呈現(xiàn)斷開(kāi)效應(yīng)。當(dāng)檢測(cè)到異步電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值，其端電壓也接近電網(wǎng)電壓，此時(shí)軟開(kāi)關(guān)呈現(xiàn)連通效應(yīng)，使異步電機(jī)電能輸送給電網(wǎng)。電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制方式，速度控制方式下的設(shè)定速度為零，其模型如圖2所示。

2 鼠籠風(fēng)機(jī)控制策略

2.1 風(fēng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由風(fēng)能驅(qū)動(dòng)齒輪從而帶動(dòng)鼠籠異步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電的一套裝置，風(fēng)能是其獲得發(fā)電能力的原始能源。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功功率與風(fēng)能的風(fēng)速呈現(xiàn)相關(guān)性關(guān)系[3]。根據(jù)不同的風(fēng)速，表征鼠籠風(fēng)機(jī)有3個(gè)重要的參數(shù)，分別是切入風(fēng)速vci、額定風(fēng)速vN和切出風(fēng)速vco。當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速時(shí)，鼠籠風(fēng)機(jī)并不輸出功率，此時(shí)其輸出有功功率為零。當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速時(shí)，鼠籠風(fēng)機(jī)開(kāi)始輸出功率，其輸出有功功率值與風(fēng)速的三次方成正比。但是風(fēng)機(jī)輸出的有功功率并不是無(wú)限增大的，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率達(dá)到額定有功功率，也是其最大值。當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)超過(guò)了切出風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)機(jī)輸出功率為零。鼠籠風(fēng)機(jī)輸出有功功率與風(fēng)速關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中，PW為有功功率；PN為額定功率；Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)化率；ρ為空氣密度；S為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)面的面積。

圖2 風(fēng)機(jī)的異步電機(jī)和并網(wǎng)軟開(kāi)關(guān)模型

2.2 鼠籠式異步發(fā)電機(jī)模型

異步電機(jī)種類很多，恒頻恒速風(fēng)電機(jī)組采用的是鼠籠式異步電機(jī)，數(shù)學(xué)模型介紹如下。

忽略鼠籠異步電機(jī)暫態(tài)過(guò)程，即讓PΨds=PΨqs=0，定子電壓方程為：

(2)

式中，Ud,Id,Ψq為定子繞組電壓、電流、磁鏈；Uq,Iq,Ψq為定子繞組電壓、電流、磁鏈；Rs為電阻，ωs為同步角速度。

磁鏈與暫態(tài)電勢(shì)E′和電流的關(guān)系：

(3)

以暫態(tài)電勢(shì)為狀態(tài)變量,可推得：

(4)

式中，為定子的同步電抗，X=Xs+Xm。

該電勢(shì)方程的相量形式為：

(5)

式中，s為滑差；f0為頻率(50Hz)，E′為暫態(tài)電勢(shì)。

可以得到，定子繞組電磁方程式：

(6)

式中，X為同步電抗；X′為暫態(tài)電抗(p.u)；T0′為時(shí)間常數(shù)。

轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可以反映作用于轉(zhuǎn)子兩者之間的轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。電機(jī)轉(zhuǎn)子的之間的關(guān)系為：

(7)

式中，ΔM=MT-ME，為不平衡轉(zhuǎn)矩。ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由此可得下式：

(8)

式中，MT,ME分別為兩種轉(zhuǎn)矩(p.u)，Tj為異步發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

ME=ψdIq-ψqId

(9)

式中，Id,ψd為電流與磁鏈。Iq,ψq為定子繞組q軸繞組磁鏈。

2.3 風(fēng)機(jī)控制策略

在風(fēng)電發(fā)展早期，異步風(fēng)電機(jī)組占的比重比較大，雖然現(xiàn)在在主網(wǎng)中不再應(yīng)用異步風(fēng)機(jī)，但是在配電網(wǎng)中，仍然是目前使用最典型以及最廣泛的風(fēng)力機(jī)組控制模式如圖3所示。

圖3 鼠籠風(fēng)機(jī)控制模式

采用PSCAD軟件元件庫(kù)里的風(fēng)力機(jī)和控制模塊模型，如圖4所示。

鼠籠風(fēng)機(jī)輸出的功率來(lái)源于鼠籠異步電機(jī)，風(fēng)輪機(jī)對(duì)鼠籠異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。所以對(duì)鼠籠異步風(fēng)機(jī)的控制主要是對(duì)風(fēng)輪機(jī)的控制。主要從三個(gè)方面體現(xiàn)：風(fēng)速控制，風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)輪機(jī)槳距角。風(fēng)速選用模塊式風(fēng)速，有穩(wěn)定風(fēng)、陣風(fēng)、波動(dòng)風(fēng)幾種不同的風(fēng)速來(lái)選擇。轉(zhuǎn)速主要來(lái)源于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的負(fù)反饋，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)輪機(jī)頻率的控制。風(fēng)輪機(jī)的槳距角直接影響風(fēng)輪機(jī)輸出到異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，由控制模塊輸出并由Beta端口輸入，并加以控制邏輯。Tm為輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，P為輸出的機(jī)械功率。風(fēng)機(jī)控制模塊會(huì)監(jiān)測(cè)鼠籠型異步風(fēng)機(jī)輸出的有功功率情況來(lái)調(diào)節(jié)槳距角，以促使風(fēng)機(jī)維持在額定功率輸出狀態(tài)，控制策略如圖4所示。

圖4 風(fēng)力機(jī)及控制系統(tǒng)模型

3 實(shí)例仿真分析

以實(shí)際的IEEE13節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)算例為模型，鼠籠異步風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)為671節(jié)點(diǎn)。PSCAD軟件是從時(shí)間0s開(kāi)始進(jìn)行仿真計(jì)算的，然而實(shí)際中的配電網(wǎng)是時(shí)時(shí)刻刻在運(yùn)行的電網(wǎng)，鼠籠風(fēng)機(jī)是不斷啟停并網(wǎng)離網(wǎng)的一個(gè)過(guò)程。對(duì)于未接入鼠籠風(fēng)機(jī)的IEEE13節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)的仿真分析得出，該電網(wǎng)是在1.6秒后建立的穩(wěn)定電壓，所以鼠籠風(fēng)機(jī)并網(wǎng)時(shí)間設(shè)置在1.6秒以后。選定風(fēng)機(jī)容量為1.2MW，為了模擬實(shí)際風(fēng)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，在鼠籠異步風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定后在穩(wěn)定風(fēng)的基礎(chǔ)上加入波動(dòng)風(fēng)量，仿真鼠籠風(fēng)機(jī)的有功功率輸出特點(diǎn)。設(shè)定風(fēng)速如圖5所示。

鼠籠異步風(fēng)機(jī)輸出有功功率如圖6所示。

在此控制策略下，異步風(fēng)機(jī)在2s系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)并網(wǎng)由于鼠籠風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低其端口電壓未完全建立，此時(shí)功率是從電網(wǎng)流入異步風(fēng)機(jī)。隨著端口電壓建立完成，風(fēng)機(jī)慢慢向電網(wǎng)輸出有功功率，而且風(fēng)機(jī)功率因數(shù)值較高，其向電網(wǎng)輸入的無(wú)功功率較小。隨著較大波動(dòng)風(fēng)的作用，異步風(fēng)機(jī)的輸出功率隨機(jī)變化，但是在異步電機(jī)向風(fēng)輪機(jī)負(fù)反饋以及槳距角的控制策略下，其有功功率變動(dòng)值較小，在電網(wǎng)可承受范圍內(nèi)。

圖5 風(fēng)速曲線

圖6 鼠籠風(fēng)機(jī)輸出有功功率

4 結(jié) 論

基于PSCAD軟件搭建了鼠籠異步風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)模型，建立了風(fēng)速控制、異步電機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋以及風(fēng)輪機(jī)槳距角追蹤的有功功率輸出控制策略。最后以實(shí)際的IEEE13節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)為仿真算例，研究該控制策略下的鼠籠風(fēng)機(jī)并網(wǎng)以及風(fēng)速波動(dòng)時(shí)的有功功率輸出狀態(tài)。研究表明：隨著較大波動(dòng)風(fēng)的作用，在異步電機(jī)向風(fēng)輪機(jī)負(fù)反饋以及槳距角的控制策略下，其有功功率變動(dòng)值較小，在電網(wǎng)可承受范圍內(nèi)。